분산형 양자 컴퓨팅 시대 '성큼'...128개 QPU 연결 90% 순간 이동 달성

단일 양자 프로세서의 한계를 넘어 수백 개의 양자 처리 장치(QPU)를 하나로 묶는 ‘분산형 양자 컴퓨팅’ 시대가 성큼 다가왔다.

1일(현지시각) 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 자이트가이스트에 따르면 최근 영국 런던 임페리얼 칼리지와 미국 빙엄턴 대학교(SUNY) 공동 연구팀은 128개의 QPU를 연결하면서도 약 90%의 높은 양자 순간 이동(Teleportation) 성공률을 유지하는 혁신적인 자원 관리 시스템을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 'ModEn-Hub(모듈형 얽힘 허브)'라고 불리는 새로운 아키텍처다. 기존의 양자 컴퓨터가 개별 프로세서 내부에서 얽힘 생성과 연산을 동시에 처리하느라 확장에 어려움을 겪었던 것과 달리, ModEn-Hub(모듈형 얽힘 허브)는 양자 얽힘 생성을 전용 허브에서 중앙 집중식으로 수행하고 연산은 주변 QPU에 분산하는 방식을 채택했다.


퀀텀 자이트가이스트에 따르면 연구팀은 광자 네트워크를 통해 고품질의 양자 연결을 제공하는 동시에, 이를 실시간으로 제어하는 '네트워크 오케스트레이터'를 도입했다. 이 시스템은 여러 QPU 간의 통신을 최적화하고, 텔레포테이션 기반 게이트의 스케줄링을 관리하며, 필요할 때 즉시 사용할 수 있는 '얽힘 캐시'를 운영한다.
몬테카를로 시뮬레이션 결과, 이 시스템은 128개의 QPU를 연결한 대규모 환경에서도 90%에 육박하는 성공률을 기록했다. 이는 시스템 규모가 커질수록 성능이 급격히 저하돼 약 30%의 성공률에 그쳤던 기존의 순차적 방식보다 3배 이상 향상된 결과다.

"ModEn-Hub는 클라우드 컴퓨팅이나 고성능 컴퓨팅(HPC)에서 검증된 자원 관리 원칙을 양자 영역에 적용한 것"이라며 "적응형 자원 조정을 통해 하드웨어의 한계를 소프트웨어적으로 극복했다"고 연구팀은 설명했다.


이번 연구는 분산된 양자 자원을 효율적으로 통합함으로써, 연결된 QPU의 수에 따라 연산 능력이 기계적으로 확장되는 '가상 양자 컴퓨터' 구현의 토대를 마련했다는 평가를 받는다. 특히 중앙 집중식 허브 구조는 개별 QPU의 하드웨어 복잡성을 줄여주어, 다양한 제조사의 QPU가 혼합된 이기종 네트워크 구축도 가능하게 한다.

물론 과제도 남아 있다. 양자 얽힘 상태를 저장할 때 발생하는 결맞음(Decoherence) 손실과 메모리 버퍼 용량의 제약이 대표적이다. 연구팀은 향후 얽힘 캐싱 전략을 최적화하고, 오류 정정(내결함성) 프로토콜과의 통합을 통해 시스템을 더욱 정교하게 다듬을 계획이다.
이번 연구 성과는 향후 전력 시스템 최적화, 신약 개발, 보안 통신 등 막대한 연산량이 필요한 차세대 IT 산업 전반에 걸쳐 파괴적인 혁신을 불러올 것으로 기대된다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com